高黎樊,汪傳雷,楊雨欣,李佩徽,劉鵬龍
(1.安徽大學(xué) 商學(xué)院,安徽 合肥 230601;2.安徽大學(xué)物流與供應(yīng)鏈研究中心,安徽 合肥 230601;3.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)
我國(guó)《“十四五”現(xiàn)代物流發(fā)展規(guī)劃》中提出要推進(jìn)現(xiàn)代物流提質(zhì)、增效、降本,并到2025年基本建成供需適配、內(nèi)外聯(lián)通、安全高效、智慧綠色的現(xiàn)代物流體系。在此背景下,如何進(jìn)一步提升物流各環(huán)節(jié)效率和質(zhì)量、降低成本、促進(jìn)綠色發(fā)展,已經(jīng)成為物流業(yè)乃至全社會(huì)共同關(guān)注的問題。飛毯智能是德國(guó)FL公司的一種電磁流式運(yùn)輸倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)[1],本文結(jié)合中國(guó)場(chǎng)景,應(yīng)用“飛毯”技術(shù)實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)提質(zhì)降本增效,并促進(jìn)新能源在物流領(lǐng)域的應(yīng)用。
當(dāng)前,產(chǎn)業(yè)和時(shí)代的發(fā)展對(duì)智慧化倉(cāng)儲(chǔ)提出了新要求,其中離不開智慧化倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)。近年來,國(guó)內(nèi)圍繞智慧倉(cāng)儲(chǔ)技術(shù)進(jìn)行了一些研究。雷斌,等[2]認(rèn)為倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人的工作效率影響著整個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的效率,常見的倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人有自動(dòng)導(dǎo)引小車、碼垛機(jī)器人以及分揀機(jī)器人等。周亞勤,等[3]針對(duì)密集倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境,基于遺傳算法的協(xié)同調(diào)度方法,提出了啟發(fā)式規(guī)則,從而實(shí)現(xiàn)穿梭車任務(wù)的均衡分配。任楠,等[4]在考慮智慧化倉(cāng)儲(chǔ)的環(huán)境、模式、需求的情況下,對(duì)傳統(tǒng)的AGV進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)等方面的優(yōu)化,使其能夠更好地為自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)服務(wù)。
隨著城市倉(cāng)儲(chǔ)與物流用地供應(yīng)日益緊缺,緊致型倉(cāng)儲(chǔ)逐漸成為研究熱點(diǎn)。劉兵兵,等[5]對(duì)一種三維緊致化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了算法介紹,并對(duì)相關(guān)的尺寸優(yōu)化與調(diào)度方案進(jìn)行了說明。張文濤,等[6]認(rèn)為現(xiàn)代物流技術(shù)與裝備主要發(fā)展方向之一是緊致化。馬云峰,等[7]基于現(xiàn)有算法對(duì)網(wǎng)格型的倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行了分區(qū)設(shè)計(jì),有效提高了倉(cāng)庫(kù)的工作效率。飛毯智能技術(shù)具有高密度、低成本的優(yōu)勢(shì),能夠滿足緊致型倉(cāng)儲(chǔ)要求,本文對(duì)飛毯智能技術(shù)在緊致型倉(cāng)儲(chǔ)中的應(yīng)用進(jìn)行了探索。
飛毯智能是一項(xiàng)極具創(chuàng)新性的電磁流機(jī)器人技術(shù),是基于電磁場(chǎng)的模塊化平臺(tái)系統(tǒng),其運(yùn)作系統(tǒng)由PU和Mover兩部分構(gòu)成。PU類似于家裝的瓷磚,由一塊塊拼接而成,如圖1所示。在倉(cāng)庫(kù)平面鋪設(shè)充足數(shù)量的PU,可形成整體的智能平面。如果單個(gè)單元發(fā)生故障,可以輕松快速地更換。Mover 尺寸為標(biāo)準(zhǔn)托盤1 000*1 200mm,一定數(shù)量的Mover分布在由PU形成的智能平面上。在Mover和PU之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)僅在實(shí)際運(yùn)動(dòng)期間有效的電磁場(chǎng)。將物品放置在Mover上,當(dāng)接收到系統(tǒng)指令時(shí),PU會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)方向上的電磁推進(jìn)力,實(shí)現(xiàn)物品的在庫(kù)運(yùn)輸。如圖2所示。
圖1 PU智能平面
圖2 Mover和PU模型
飛毯在庫(kù)內(nèi)運(yùn)作的核心技術(shù)是電磁技術(shù)。飛毯創(chuàng)新性地將磁懸浮和電磁推進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié),其原理與磁懸浮列車有異曲同工之處。磁懸浮列車是利用電磁力進(jìn)行列車和鐵軌間無接觸的懸浮和導(dǎo)引,只受到來自空氣的阻力,為降低能源消耗、提高運(yùn)行速度提供空間。在Mover的制動(dòng)方面,也與列車有相似之處,采用的是盤形渦流制動(dòng),圖3為Mover電磁制動(dòng)原理[8]。飛毯技術(shù)正是借助磁懸浮的力量支撐起裝載物品的托盤,實(shí)現(xiàn)二維平面內(nèi)的移動(dòng)。
圖3 Mover電磁制動(dòng)原理[8]
飛毯在庫(kù)內(nèi)的運(yùn)行主要是通過電磁推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行。電磁推進(jìn)是借助導(dǎo)電氣體中磁場(chǎng)和電流間的相互作用力,使氣體高速噴出從而產(chǎn)生推力的一種推進(jìn)方式。應(yīng)用的工作介質(zhì)是等離子體,因此又稱等離子體推進(jìn)。飛毯通過精確的電磁推進(jìn)控制算法,能夠?qū)崿F(xiàn)各種規(guī)格、不同重量的負(fù)載物品的自由移動(dòng),與叉車、AMR、AGV等運(yùn)輸工具比較,飛毯應(yīng)用方案具備密度高、通量高、成本低等優(yōu)勢(shì)。
開始作業(yè)前,飛毯位于庫(kù)內(nèi)的等待區(qū)。當(dāng)有物品入庫(kù)時(shí),系統(tǒng)先通過分析物品信息和可用飛毯信息確定作業(yè)飛毯,通過電磁推進(jìn)使飛毯按最優(yōu)路線移動(dòng)到指定區(qū)域進(jìn)行上貨。上貨完成后,貨物信息自動(dòng)與飛毯信息進(jìn)行綁定。當(dāng)物品需要出庫(kù)時(shí),直接通過系統(tǒng)調(diào)度指定的飛毯即可。當(dāng)任務(wù)完成后,飛毯會(huì)通過自檢判斷是否需要充電,電量充足后前往等待區(qū)等候新的任務(wù)。整體運(yùn)作流程如圖4所示。
圖4 飛毯運(yùn)作流程
對(duì)比當(dāng)前市場(chǎng)的主要倉(cāng)儲(chǔ)設(shè)備:各式貨架、AGV等等,飛毯智能技術(shù)具有以下獨(dú)特優(yōu)勢(shì):
2.4.1 倉(cāng)儲(chǔ)緊致化。飛毯智能技術(shù)使得每一個(gè)Mover既是存儲(chǔ)設(shè)備,又是搬運(yùn)設(shè)備,在智能地板上可以鋪設(shè)足夠多的Mover,相比傳統(tǒng)的貨架存儲(chǔ)密度將更高,從而提高了倉(cāng)儲(chǔ)面積利用率。
2.4.2 抗干擾性強(qiáng)。由于采用模塊化設(shè)計(jì),整套系統(tǒng)可以靈活、單獨(dú)運(yùn)輸并且適應(yīng)特定的應(yīng)用,還能夠隨時(shí)進(jìn)行擴(kuò)展。各個(gè)PU的分散控制使整個(gè)系統(tǒng)能夠抵抗中斷,系統(tǒng)也能夠智能、實(shí)時(shí)地適應(yīng)需求,如果某個(gè)PU發(fā)生故障,其他載體會(huì)自動(dòng)繞過該P(yáng)U,消除了整個(gè)系統(tǒng)發(fā)生故障,并因此中斷貨物流動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。萬一單個(gè)單元發(fā)生故障,可以直接進(jìn)行更換,提高了系統(tǒng)的流動(dòng)性。
2.4.3 靈活匹配不同規(guī)格貨物。目前,單個(gè)Mover最大承載量為3t,能夠滿足重載物流運(yùn)輸需求。整體系統(tǒng)協(xié)同控制使得物體可以單獨(dú)運(yùn)輸,也可以成組運(yùn)輸。通過連接多個(gè)負(fù)載體,創(chuàng)建一個(gè)更大的Mover,能夠?qū)崿F(xiàn)不同大小和形狀的物體的運(yùn)輸。
2.4.4 節(jié)能環(huán)保。在Mover和PU之間,運(yùn)用磁懸浮技術(shù),會(huì)產(chǎn)生一個(gè)僅在實(shí)際運(yùn)動(dòng)期間有效的電磁場(chǎng)。因此,用時(shí)通電,不用時(shí)斷電,大大節(jié)省了電能。
飛毯智能技術(shù)運(yùn)用于實(shí)際倉(cāng)庫(kù)場(chǎng)景,需要同步配套優(yōu)化倉(cāng)庫(kù)環(huán)境。下面以Z公司冷庫(kù)應(yīng)用飛毯智能技術(shù)方案為例,從倉(cāng)庫(kù)整體布局、內(nèi)部布局、設(shè)施設(shè)備等方面進(jìn)行優(yōu)化。其中,整體布局優(yōu)化是滿足飛毯運(yùn)行的流程需要,內(nèi)部布局是滿足飛毯智能技術(shù)的場(chǎng)所條件,設(shè)施設(shè)備采納光伏儲(chǔ)能技術(shù)滿足飛毯智能技術(shù)的能源要求。
3.1.1 Z 公司冷庫(kù)原有布局。Z 公司是合肥知名生鮮冷鏈物流公司,其冷庫(kù)為變溫倉(cāng),總面積為16 000m2,內(nèi)含2 500m2的冷凍區(qū),主要提供包括肉類、畜牧業(yè)、農(nóng)特產(chǎn)品以及藥品的儲(chǔ)存加工服務(wù);周邊布局有2 500m2恒溫區(qū),引進(jìn)智能存儲(chǔ)貨架,智能流水線作業(yè),主要為電商企業(yè)、新零售企業(yè)和農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)營(yíng)企業(yè)提供服務(wù);5 000m2冷藏倉(cāng)主要儲(chǔ)存工業(yè)制品和食品;剩下的功能區(qū)分別為入庫(kù)暫存區(qū)、裝卸搬運(yùn)區(qū)、流通加工區(qū)、辦公區(qū)、退貨區(qū)、產(chǎn)品配送區(qū)。原布局如圖5所示。
圖5 原冷庫(kù)布局圖
3.1.2 運(yùn)用SLP方法對(duì)Z公司冷庫(kù)布局進(jìn)行優(yōu)化。為滿足飛毯運(yùn)行的流程需要,采用SLP法對(duì)Z公司運(yùn)用飛毯設(shè)備的冷庫(kù)進(jìn)行區(qū)域劃分、空間布局以及面積確定的設(shè)計(jì)。首先,確定飛毯倉(cāng)庫(kù)的具體作業(yè)流程,使各作業(yè)流程銜接得當(dāng);然后,對(duì)功能區(qū)進(jìn)行規(guī)劃,使各功能區(qū)劃分完善,滿足貨品儲(chǔ)存需要,并使資源利用最大化。由于飛毯設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)物品在庫(kù)內(nèi)的自由移動(dòng),無需其他的裝卸搬運(yùn),因此,合并入庫(kù)暫存區(qū)與裝卸搬運(yùn)區(qū);最后,對(duì)飛毯倉(cāng)庫(kù)的平面布局進(jìn)行優(yōu)化。
(1)SLP法基本要素分析。表1是飛毯倉(cāng)庫(kù)五項(xiàng)基本要素的具體內(nèi)容。
表1 基本要素具體內(nèi)容
(2)功能區(qū)優(yōu)化。合并入庫(kù)暫存區(qū)與裝卸搬運(yùn)區(qū)。物品可直接傳輸?shù)組over上,飛毯設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)物品在庫(kù)內(nèi)的自由移動(dòng),因此,無需進(jìn)行復(fù)雜的裝卸搬運(yùn)。調(diào)整倉(cāng)庫(kù)面積和布局,保證飛毯設(shè)備在各倉(cāng)運(yùn)作的貫通性。
(3)物流關(guān)系分析。根據(jù)調(diào)研得到倉(cāng)庫(kù)實(shí)際物流量情況,見表2。
表2 物流量從至情況
由于恒溫區(qū)、冷藏區(qū)、冷凍區(qū)的物品進(jìn)入展示區(qū)的物流量較少,可以忽略不計(jì),根據(jù)表2進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)物流關(guān)系強(qiáng)度匯總,見表3。
表3 物流關(guān)系強(qiáng)度匯總
根據(jù)表3繪制功能區(qū)物流關(guān)系,如圖6所示。
圖6 功能區(qū)物流關(guān)系設(shè)計(jì)
由圖6可得,冷庫(kù)布局需要優(yōu)先考慮產(chǎn)品配送區(qū)和冷藏區(qū)之間的物流關(guān)系;其次,考慮冷藏區(qū)到暫存區(qū),恒溫區(qū)、冷凍區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)之間的物流關(guān)系;最后,考慮暫存區(qū)到恒溫區(qū),冷凍區(qū)、恒溫區(qū)到流通加工區(qū)的物流關(guān)系。
(4)非物流關(guān)系分析。非物流關(guān)系的分析主要圍繞飛毯設(shè)備進(jìn)行。引入飛毯設(shè)備后,原有作業(yè)流程的變化引發(fā)倉(cāng)庫(kù)布局更改,需要考慮飛毯作業(yè)的便捷性;其次,飛毯設(shè)備完全自動(dòng)化控制,無需人工進(jìn)行倉(cāng)庫(kù)間的操作,需要考慮飛毯設(shè)備在倉(cāng)庫(kù)間穿梭的貫通性;另外,飛毯設(shè)備是基于電磁推動(dòng)技術(shù)的模塊化設(shè)計(jì),當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí),只需要替換損壞的PU或者M(jìn)over,需要考慮倉(cāng)庫(kù)維護(hù)保養(yǎng)的可操作性和倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用模塊的耦合度;最后,飛毯設(shè)備極大地減少了倉(cāng)庫(kù)人力投入,需要考慮人員減少時(shí)如何做好倉(cāng)庫(kù)管理工作。非物流關(guān)系等級(jí)劃分見表4。
表4 等級(jí)劃分理由
根據(jù)表4繪制出非物流關(guān)系密切程度表,見表5。
表5 非物流關(guān)系密切程度
根據(jù)表5繪制出功能區(qū)非物流關(guān)系圖,如圖7所示。
圖7 功能區(qū)非物流關(guān)系
由圖7可得,冷庫(kù)布局需要優(yōu)先考慮冷藏區(qū)、恒溫區(qū)和冷凍區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)的非物流關(guān)系;其次,考慮產(chǎn)品配送區(qū)到流通加工區(qū),恒溫區(qū)、冷藏區(qū)、冷凍區(qū)到暫存區(qū)的非物流關(guān)系;最后,考慮恒溫區(qū)到流通加工區(qū),恒溫區(qū)到冷藏區(qū)的非物流關(guān)系。
(5)綜合物流關(guān)系分析。結(jié)合上述分析,可以對(duì)飛毯倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行綜合物流關(guān)系分析,并給出最終功能區(qū)之間的位置關(guān)系和它們之間聯(lián)系的密切程度。由于本研究的目的是將飛毯設(shè)備更好地應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù),助力物流自動(dòng)化、智慧化轉(zhuǎn)型升級(jí),所以,物流因素應(yīng)該占據(jù)主導(dǎo)地位,這里取比值2:1進(jìn)行綜合物流關(guān)系分析,得到功能區(qū)綜合關(guān)系圖,如圖8所示。
圖8 功能區(qū)綜合關(guān)系
由圖8可得,冷庫(kù)布局需要優(yōu)先考慮冷藏區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)的綜合物流關(guān)系;其次,考慮暫存區(qū)到冷凍區(qū),恒溫區(qū)、冷凍區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)的綜合物流關(guān)系;然后,考慮暫存區(qū)到恒溫區(qū)、冷藏區(qū),恒溫區(qū)到流通加工區(qū),流通加工區(qū)到產(chǎn)品配送區(qū)的綜合物流關(guān)系;最后,考慮恒溫區(qū)到冷藏區(qū)的綜合物流關(guān)系。
(6)最終布局?;谝陨戏治觯?jì)算出優(yōu)化后的面積占比見表6,最終飛毯倉(cāng)庫(kù)布局如圖9所示。
表6 各區(qū)域面積占比
圖9 飛毯倉(cāng)庫(kù)布局圖
將智能飛毯鋪設(shè)在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)需要對(duì)原來各區(qū)域內(nèi)部的布局進(jìn)行調(diào)整,即將原有貨架區(qū)域及叉車作業(yè)區(qū)域均調(diào)整為飛毯區(qū)域。
以冷藏區(qū)為例,該區(qū)面積為5 000m2,可用面積為4 800m2,其中長(zhǎng)80m,寬60m。根據(jù)冷庫(kù)設(shè)計(jì)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求[9],冷藏區(qū)劃分為A、B兩個(gè)區(qū)域,兩個(gè)區(qū)域間隔2m。引入飛毯前每個(gè)分區(qū)內(nèi)有15排貨架,每排貨架深度為1m,兩排貨架之間有寬3m的叉車作業(yè)通道,如圖10所示。
圖10 初始冷藏區(qū)布局
引入飛毯設(shè)備后,省去叉車在庫(kù)內(nèi)作業(yè)的空間,圖11中的灰色區(qū)域(貨架)和白色區(qū)域(叉車作業(yè)區(qū)域)全部鋪滿飛毯設(shè)備,實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)緊致化。以A區(qū)為例:A區(qū)長(zhǎng)方向:60÷1.2=50(個(gè));A 區(qū)寬方向:39÷1=39(個(gè));飛毯總數(shù):50×39=1 950(個(gè))。即改造后的倉(cāng)庫(kù)A、B 每個(gè)分區(qū)內(nèi)能夠配備1 950個(gè)飛毯。引入飛毯后的冷藏區(qū)布局如圖11所示。其他各區(qū)域均按照同樣的方法布置處理。
圖11 引入飛毯后的冷藏區(qū)布局
為更好地滿足飛毯智能技術(shù)的能源需求,可為Z公司倉(cāng)庫(kù)設(shè)施增設(shè)光伏儲(chǔ)能設(shè)備。
3.3.1 光伏儲(chǔ)能原理。光伏儲(chǔ)能主要應(yīng)用到的能源為太陽能。倉(cāng)庫(kù)上的太陽能電池板可以遮擋日光照射,較低的外部溫度將有助于降低冷庫(kù)的用電量。另外,冷庫(kù)擁有較充足的屋頂面積,所以選擇將光伏發(fā)電設(shè)備安裝在屋頂上。3.3.2 連接方式。飛毯設(shè)備與光伏儲(chǔ)能設(shè)備結(jié)合,使用連接線把太陽能電源控制器和蓄電池連接起來,太陽能電源控制器的正極連接蓄電池的正極,太陽能電源控制器的負(fù)極連接蓄電池的負(fù)極。連接線可從倉(cāng)庫(kù)墻體和飛毯PU的內(nèi)部穿過,有效隱藏且無需對(duì)原有倉(cāng)庫(kù)進(jìn)行大規(guī)模改造。再用連接線連接太陽能電源控制器和太陽能板,太陽能電源控制器的正極連接太陽能板的正極,太陽能電源控制器的負(fù)極連接太陽能板的負(fù)極。太陽能板接線連接成功后,可將飛毯的PU直接接在太陽能電源控制器輸出端,實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電。
3.3.3 電池選擇。主流電池儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)比見表7。本研究是將飛毯應(yīng)用于冷庫(kù),密封及低溫環(huán)境會(huì)縮短電池使用壽命,考慮購(gòu)買成本及性能條件等因素,建議該冷庫(kù)采用全釩液流電池。
表7 主流電池儲(chǔ)能技術(shù)
3.3.4 效益分析。數(shù)據(jù)表明,光伏屋頂分布式發(fā)電平均每平米年發(fā)電量90~100kW·h 左右。Z 公司冷庫(kù)總面積為16 000m2,實(shí)際可用平頂面積為15 000m2,經(jīng)合理估算,每年光伏發(fā)電量約為150萬kW·h。每度光伏發(fā)電可減少二氧化碳的排放量為0.734g,相當(dāng)于減少碳排放0.272kg,那么每年150萬kW·h的光伏發(fā)電量可以減少二氧化碳排放1 101kg,相當(dāng)于減少碳排放為408kg[10]?,F(xiàn)有工業(yè)用電普通時(shí)段電費(fèi)為0.725元/kW·h,國(guó)家出臺(tái)的關(guān)于倉(cāng)庫(kù)屋頂光伏分布式發(fā)電的政策補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn)為0.42元/kW·h(含稅),即采用光伏發(fā)電后Z公司冷庫(kù)可節(jié)約大約45.75萬元的電費(fèi)成本。
本文創(chuàng)新性地將飛毯智能技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)。未來該技術(shù)將不斷改進(jìn),更好地應(yīng)用于物流業(yè)以及其他更多行業(yè)領(lǐng)域:(1)全自動(dòng)無人倉(cāng)庫(kù)。Mover之間靈活的拼接和運(yùn)輸可以取代叉車、AGV以及貨架等倉(cāng)儲(chǔ)運(yùn)輸物流設(shè)備,實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)無人化、自動(dòng)化管理。(2)生產(chǎn)制造工廠。未來Mover可以配備機(jī)器人、機(jī)械吊臂等,產(chǎn)品生產(chǎn)可以直接在飛毯上進(jìn)行,實(shí)現(xiàn)車間或倉(cāng)庫(kù)等內(nèi)部區(qū)域空間的最佳利用。(3)城市交通運(yùn)輸。未來飛毯可以與城市基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)作,如輔助全自動(dòng)停車場(chǎng)的運(yùn)作,實(shí)現(xiàn)車輛位置的自動(dòng)調(diào)度,解決超載問題,提高安全性,減輕城市中心基礎(chǔ)設(shè)施的負(fù)擔(dān)。